西峰区巴家咀水源地深层地下水水化学及同位素特征

蒋兴波，许 泰，刘德玉，刘心彪

(1.甘肃省地质环境监测院，甘肃 兰州 730050；2.甘肃省地下水工程与地热资源重点实验室，甘肃 兰州 730050；3.陇东学院能源工程学院，甘肃 庆阳 745000；4.青海师范大学 地理科学学院/青海省自然地理与环境过程重点实验室，青海 西宁 810008)

西峰区集中供水起步于20世纪70年代，当时以黄土塬潜水位为主，供水能力有限，普及率低。随着城市化的进程，集中供水水源发展为以巴家咀水库水为主，由于极端干旱，出现水库水源不足、水资源供不应求的现象。2001年新建了巴家咀环河组地下水源地，但由于环河组砂岩富水性一般，地下水资源量有限，城市用水仍然得不到解决。目前，西峰区供水水源地共有3处，其中1处为地表水水源，2处为地下水水源，西峰区用水主要是巴家咀水库地表水源，每年受雨洪影响不能正常供水，其次水质得不到保障，供水能力不能满足城市发展及能源基地的建设需要。为了解决西峰区生活用水和工业集中区用水的突出问题，开发以白垩系洛河组地下水为开采层位的水源地，对其水化学类型、同位素特征及水质综合评价的研究势在必行。

1 研究区概况

1.1 研究区范围及地理位置

巴家咀水源地位于西峰区以西16 km蒲河河谷巴家咀段，北起黑河沟口，南至北石窟寺，东西分别达塬边线，总面积约50 km2(图1)。地理位置为东经107°25′22″～07°35′30″，北纬35°36′50″～5°37′14″。水源地交通便利、地形平坦，具备良好的施工和用水条件，能够解决西峰工业集中区建设用水突出问题。

图1 巴家咀水源地交通位置图

1.2 地质构造与地层岩性

巴家咀水源地处于鄂尔多斯地块西南部，属中生代内陆拗陷盆地[1]。自中晚元古代以来基本上处于稳定状态，整体表现为垂直运动的上升与沉降，主要构造为陇东盆地天环向斜南段环县-泾川向斜(图2)，北起环县以北，南至泾川以南逐渐抬升而消失，向斜东翼宽缓，西翼窄陡，其它各种线性构造不甚发育[2]。

图2 陇东盆地构造纲要图

巴家咀水源地地层较为简单，主要有第四系(Q)和下白垩系保安群(K1)。下白垩系分布最为广泛，其厚度大(800～1 000 m)、产状平缓、展布范围广，陇东地区保安群分为宜君、洛河、华池、环河、罗汉洞、泾川六个岩组，其中泾川组在水源地范围内缺失，具有研究有意义的是环河组和罗汉洞组(图3)。第四系从全新统至下更新统均有分布，成因上以风积为主，次为冲积、冲洪积。

图3 巴家咀水源地水文地质剖面图

2 地下水类型及赋水特征

根据巴家咀水源地地下水的埋藏条件及水动力性质，地下水可分为潜水及承压水两种类型[3-4]。水源地潜水分布在黄土塬和黄土梁峁：黄土残塬区地下水目前已超采，地下水开采漏斗下降快，进一步开发的潜力很小；黄土梁峁区潜水受地貌条件及沟谷切割，地下水的富水性差，没有集中供水意义。

在巴家咀一带，白垩系地下水的富集主要受控于含水介质的岩相和岩性，总的规律是粗粒风积相的洛河组相对富水，细粒河湖相的环河组富水性相对较弱。罗汉洞组地下水含水层孔隙度大，接受补给条件较好，但含水层厚度小，且被沟谷强烈切割，不利于地下水的富集，其集中供水意义不大；环河组承压含水层泥质含量高，富水性较弱，地下水可溶性总固体大，硫酸盐含量大于2 000 mg/L,实际利用价值不大；洛河组含水层多以沙漠相沉积为主，孔隙裂隙发育，厚度大(埋深550～970 m，)，岩性为中粗、中细砂岩，泥质含量少，水量丰富，水质良好，在宁县县城、长庆桥等地单井出水量3 000～5 000 m3/d，具备作为中型水源地的条件，是开采利用的的重点层位。

3 地下水水化学及同位素特征

3.1 水化学类型

选取巴家咀水源地区内的河水、水库水、黄土潜水、罗汉洞泉水、环河组井水及洛河组井水进行水化学测试分析(表1)。为了深入认识巴家咀水源地水体化学特征，将表1测试数据进行统计分析，以饼状图形式反应其特点(图4)。从表1和图4可以发现，河流和水库两种地表水的阳离子和阴离子含量总体高于地下水，化学类型为Na+·Mg2+-SO42-·Cl-；黄土潜水为低矿化水，阴离子主要为HCO3-，SO42-和Cl-含量可以忽略不计，阳离子主要为Ca2+，Mg2+次之，水化学类型主要为Ca2+·Mg2+-HCO3-型；白垩系各组地下水总体上随着埋深的增加呈现规律性变化：HCO3-、Mg2+等离子浓度显著减少，Cl-、SO42-、Na++K+等离子浓度增加，Ca2+浓度变化不明显，罗汉洞组地下水化学类型Na+·Mg2+-HCO3-·SO42-，随着地下水埋深增加，水-岩相互作用进一步加强，阳离子演化为Na++Mg2+，阴离子主要为SO42-，水化学类型演化为Na+·Mg2+-SO42-·HCO3-型。

另外，由表1也可以看出，河水和水库水的可溶性总固体相等，均在1 g/L；黄土潜水可溶性总固体小于0.5 g/L；罗汉洞组地下水可溶性总固体小于1 g/L；环河组地下水明显具有多个含水层，不同含水层地下水可溶性总固体变化大，总体上浅层地下水可溶性总固体在1 g/L左右，深层地下水可溶性总固体介于2～4 g/L；洛河组地下水可溶性总固体约1 g/L，随着埋深略有下降的趋势[5]。

表1 巴家咀水源地水化学特征

同时，黄土潜水、罗汉洞地下水、环河组地下水及洛河组地下水水化学类型在三角图上具有明显的分带性特点(图5)。

图4 巴家咀水源地水化学主要离子含量

图5 巴家咀水源地水体水化学三角图

3.2 同位素特征

巴家咀水源地黄土潜水、罗汉洞含水层地下水δ18O比环河含水层和洛河含水层地下水富集明显，而环河含水层和洛河含水层地下水的δ18O相差并不大。同位素的这些特征表明环河组含水层和洛河组含水层地下水更多的保存着较冷或补给高程相对较高的地下水，而黄土潜水、罗汉洞含水层地下水由于受现代大气降水补给的影响，重同位素相对富集。

地下水14C年龄测试进一步证实了上述认识，环河含水层和洛河含水层地下水14C年龄在20 000～31 000 a之间，白垩系各层之间同一层中不同含水段地下水的年龄相差数千年，表明地下水交替径流慢，更新能力差，同时，也表明各含水层或含水段间垂向上水力联系较弱，地下水主要以顺层流动为主。

图6 环河组地下水87Sr/86Sr图

地下水的87Sr/86Sr比值往往与接触的岩石矿物的87Sr/86Sr比值相似,从环河组地下水87Sr/86Sr与埋深关系(图6)可以看出：地下水的87Sr/86Sr值均大于现代海水的87Sr/86Sr平均值(0.709 073),地下水的87Sr/86Sr值总体上随着埋藏深度的增加而增加，这表明有后期“放射性锶”加入,地下水与岩石相互作用的强烈。

4 地下水质量评价

依据我国地下水水质现状、人体健康基准值及地下水质量保护目标，参照生活饮用水、工业、农业用水水质最低要求，将地下水质量划分为五类(表2)。选取巴家咀水源地Q5、Q72011、Q72010三个抽水孔的水样为监测对象，以国家现行的《地下水质量标准》(GB/T14848-93)和生活饮用水卫生标准(GB 5749-2006)作为评价依据，选择29个指标对白垩系洛河组地下水进行初步评价(表2)。

从采集样品的测试结果(表2)可以看出，除硫酸盐、pH值、砷外其余各项指标均到达生活饮用水标准。巴家咀水源地洛河组地下水单项组分pH值、硫酸盐及亚硝酸盐超过Ⅲ类地下水标准，其中硫酸盐含量大于350 ml/L,属V类地下水，pH值及亚硝酸盐含量均为Ⅳ类地下水，其余各检测指标均满足Ⅲ类地下水标准值。地下水综合评价Q5、Q72011得分7.14，Q72010得分7.12，均属“较差(Ⅰ类)水”。白垩系洛河组深层地下水主要由于硫酸盐含量过大，按地下水质量级别划分属于“较差(Ⅰ类)水”。

表2 地下水质量标准及水质常规指标检测值

5 结语

(1)巴家咀水源地黄土潜水、罗汉洞、环河组及洛河组地下水化学类型具有明显的分带性，白垩系各组地下水总体上随着埋深增加，HCO3-、Mg2+等离子浓度显著减少，Cl-、SO42-、Na++K+等离子浓度增加，Ca2+浓度变化不明显，水化学类型最终在洛河组演化为Na+·Mg2+-SO42-·HCO3-型。

(2)稳定同位素特征表明环河组和洛河组含水层保存着较冷或补给高程相对较高的地下水，而黄土潜水、罗汉洞含水层重同位素相对富集。14C年龄显示地下水交替径流慢，更新能力差，各含水层或含水段间垂向上水力联系较弱，地下水主要以顺层流动为主。后期放射性锶的加入表明地下水与岩石相互作用强烈。

(3)巴家咀水源地白垩系洛河组深层地下水埋藏深度厚，洛河组地下水质量属“较差(Ⅰ类)水”，除硫酸盐、pH值和砷超标外，其余各项指标均到达生活饮用水标准，是良好的生活用水，具备作为中型水源地的条件。